(57)【要約】【課題】燃料タンクに収容されている液体燃料の圧力ヘッドなどの影響を受けずに、燃料極側に液体燃料を均一に供給することができる燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】液体燃料を収容する液体燃料タンク２１と、燃料極、空気極およびこれらの燃料極と空気極とに挟持された電解質膜１５から構成される膜電極接合体１６と、液体燃料タンク２１から液体燃料Ｆを導出する所定値以上の流路抵抗を有する燃料流路２２と、この燃料流路２２から導出された液体燃料Ｆを含浸する燃料含浸層２４と、この燃料含浸層２４から供給された液体燃料Ｆの気化成分を透過して燃料極側に導く気液分離膜２６とを具備し、液体燃料タンク２１に収容されている液体燃料Ｆの圧力ヘッドなどの影響を受けずに、燃料極側に適量の液体燃料Ｆを均一に供給することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を収容する燃料タンクと、
燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体と、
所定値以上の流路抵抗を有し、前記燃料タンクから液体燃料を導出する燃料流路と、
前記燃料流路から導出された液体燃料を含浸する燃料含浸部と、
前記燃料含浸部から供給された液体燃料の気化成分を透過して前記燃料極側に導く気液分離膜と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料流路が、前記燃料タンクと前記燃料含浸部との間に介在する仕切り板に形成された開口により構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料流路が、前記燃料タンクと前記燃料含浸部との間に介在する不透過膜に形成された開口により構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記所定値以上の流路抵抗が、前記燃料タンクに満杯に液体燃料が満たされたときにかかるヘッド圧力以上の流路抵抗であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料含浸部は、多孔質体で構成され、毛細管力によって、前記燃料流路を介して前記燃料タンクから液体燃料を移動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料タンク内に、前記燃料流路を介して一端を前記燃料含浸部と接触させ、他端を前記燃料流路に対向する前記燃料タンクの内壁に接触させて配設された多孔質体を具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料流路は、設置される膜電極接合体に対応して形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に小型のパッシブ型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体技術の発達に伴い、ＯＡ機器、オーディオ機器などの電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進み、これら携帯用電子機器に使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。
【０００３】
このような状況のもと、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さを回避でき、また有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れていると考えられる。
【０００４】
ＤＭＦＣでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。
【０００５】
ＤＭＦＣにおける燃料供給の方法としては、燃料タンクに収容された液体燃料を、直接、液体燃料含浸部の主面に接触させることで、液体燃料含浸部に含浸させ、燃料極側に液体燃料を供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１−３参照。）。
【特許文献１】特開２０００−２６８８３６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７１８４４号公報
【特許文献３】特許第３４１３１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来の燃料電池の構成において、燃料タンクに収容された液体燃料が、直接、液体燃料含浸部の主面に接触するため、例えば、液体燃料の圧力ヘッドなどの影響を受け、過剰の液体燃料が液体燃料含浸部に移動することがあった。さらに、液体燃料含浸部への液体燃料の不均一な供給により、燃料極側に均一に液体燃料を供給することが困難となることがあった。例えば、液体燃料の残量が少なくなり、燃料タンクの下部に溜まった液体燃料と液体燃料含浸部が接触するときには、液体燃料含浸部を介して燃料極側に供給される液体燃料は、下部側が多くなり、燃料極側に均一に液体燃料を供給することが困難となることがあった。上記したように、液体燃料含浸部における燃料濃度の不均一は、燃料過多となる部分で、燃料のクロスオーバの発生を助長するなどの問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料タンクに収容されている液体燃料の圧力ヘッドなどの影響を受けずに、液体燃料含浸部に適量の液体燃料を均一に供給することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、液体燃料を収容する燃料タンクと、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体と、所定値以上の流路抵抗を有し、前記燃料タンクから液体燃料を導出する燃料流路と、前記燃料流路から導出された液体燃料を含浸する燃料含浸部と、前記燃料含浸部から供給された液体燃料の気化成分を透過して前記燃料極側に導く気液分離膜とを具備することを特徴とする。
【０００９】
この燃料電池によれば、所定値以上の流路抵抗を有する燃料流路を介して、液体燃料が燃料含浸部に含浸されるので、燃料タンクに収容されている液体燃料の圧力ヘッドなどの影響を受けずに、燃料極側に適量の液体燃料を均一に供給することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池によれば、燃料タンクに収容されている液体燃料の圧力ヘッドなどの影響を受けずに、液体燃料含浸部に適量の液体燃料を均一に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池１０を構成する燃料電池モジュール１０ａを含んだ燃料電池１０の断面を模式的に示した図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１３】
図１および図２に示すように、燃料電池１０は、複数の燃料電池モジュール１０ａを備えて構成され、各燃料電池モジュール１０ａには、各燃料電池モジュール１０ａに対応して設けられた燃料流路２２を介して、液体燃料タンク２１から液体燃料Ｆが供給される。ここで、図２には、６個の燃料電池モジュール１０ａを備える燃料電池１０の一例を示しているが、燃料電池モジュール１０ａの個数はこれに限られるものではなく、任意に設定することができる。また、各燃料電池モジュール１０ａは、電気的に直列に接続され、所定の出力が得られるように構成されている。
【００１４】
燃料電池モジュール１０ａは、アノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２からなる燃料極と、カソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１４からなる空気極と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１３との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１５とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１６を起電部として構成している。
【００１５】
アノード触媒層１１およびカソード触媒層１３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、アノード触媒層１１として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなど、カソード触媒層１３として、白金やＰｔ−Ｎｉなどを用いることが好ましいが、これらに限られるわけではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは導電性担持体を使用しない無担持触媒を使用してもよい。
【００１６】
電解質膜１５を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１７】
アノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層１３に積層されたカソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１３に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１３の集電体も兼ねている。そして、アノードガス拡散層１２の表面には、アノード導電層１７が配設され、カソードガス拡散層１４の表面には、カソード導電層１８が配設されている。アノード導電層１７およびカソード導電層１８は、例えば、金などの導電金属材料からなるメッシュなどの多孔質層で構成される。
【００１８】
アノードシール材１９は、矩形枠状を有し、アノード導電層１７と電解質膜１５との間に位置するとともに、アノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２の周囲を囲んでいる。一方、カソードシール材２０は、矩形枠状を有し、カソード導電層１８と電解質膜１５との間に位置するとともに、カソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１４の周囲を囲んでいる。アノードシール材１９およびカソードシール材２０は、例えば、ゴム製のＯリングなどで構成され、膜電極接合体１６からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。
【００１９】
また、液体燃料Ｆを収容する液体燃料タンク２１の開口部を覆うように仕切り板２３が配設されている。この仕切り板２３には、液体燃料タンク２１の下部に対応する位置に燃料流路２２が形成されている。また、この仕切り板２３の膜電極接合体１６側の面に接して燃料含浸層２４が配設され、この燃料含浸層２４の膜電極接合体１６側には、燃料カット板２５を介して気液分離膜２６が配置されている。さらに、この気液分離膜２６の膜電極接合体１６側に、燃料電池１０の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム２７を配設して気化燃料収容室２８を形成し、この気化燃料収容室２８の一方の開口側に、アノード導電層１７が接するように、上記した膜電極接合体１６が配設されている。
【００２０】
仕切り板２３に形成された燃料流路２２は、液体燃料タンク２１から燃料含浸層２４に液体燃料Ｆを導くための流路である。この燃料流路２２は、縦長に形成された液体燃料タンク２１内に収容された液体燃料Ｆを最大限利用可能とするために、液体燃料タンク２１の内底面２１ａの延長線上または延長線よりも下方に、燃料流路２２の下端面２２ａが位置するように構成されることが好ましい。また、図２に示すように、燃料流路２２は、各燃料電池モジュール１０ａに対応して設けられ、各燃料流路２２を介して、液体燃料タンク２１から各燃料電池モジュール１０ａに液体燃料Ｆが供給される構成となっている。この燃料流路２２における流路方向に対して垂直な断面形状は、特に限定されるものではないが、流路バランスおよび加工上の容易性などの理由から、矩形や円形などが望ましい。また、１つの燃料流路２２を複数の開口で形成してもよい。
【００２１】
また、燃料流路２２は、液体燃料タンク２１に満杯に液体燃料Ｆが収容されたときに、そのヘッド圧力で、燃料流路２２を介して液体燃料タンク２１から燃料含浸層２４に液体燃料Ｆが移動しないように、そのヘッド圧力以上の流路抵抗を有するように構成されている。
【００２２】
また、仕切り板２３は、耐溶剤性、耐酸性を有する材料で形成され、具体的には、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などで形成される。また、仕切り板２３は、耐溶剤性、耐酸性を有する、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）などで形成される不透過膜で構成されてもよい。
【００２３】
燃料含浸層２４は、毛細管力により、燃料流路２２を介して液体燃料タンク２１から液体燃料Ｆを移動させる構成を有し、また、その移動した液体燃料Ｆを含浸する。燃料含浸層２４は、粒子、フィラー、不織布および繊維などからなる発泡体、多孔体あるいは繊維状多孔体などで構成される。この多孔質体の気孔率は、３０〜９０％程度が好ましい。この範囲の気孔率が好ましいのは、気孔率が３０％より小さい場合には、閉鎖した孔が増加するため毛管力が低下するためであり、気孔率が９０％より大きい場合には、強度が低下すると共に製造が困難になるからである。
【００２４】
燃料カット板２５は、液体燃料Ｆが気液分離膜２６と接触するのを防止するもので、例えば、燃料電池１０の動作停止時などに、燃料含浸層２４と気液分離膜２６との間に設置され、燃料電池１０の動作時には、取り除かれ、液体燃料Ｆが気液分離膜２６と接触するように構成される。この燃料カット板２５は、耐溶剤性、耐酸性を有する材料で形成され、具体的には、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などで形成される。
【００２５】
気液分離膜２６は、液体燃料Ｆの気化成分と、液体燃料Ｆとを分離し、さらに液体燃料Ｆを気化させるもので、燃料に対して不活性で、溶解しない材料で形成される。気液分離膜２６を形成する材料として、具体的には、シリコーン、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの材料が挙げられる。
【００２６】
気化燃料収容室２８は、フレーム２７、気液分離膜２６およびアノード導電層１７によって囲まれた空間であり、気液分離膜２６を透過してきた液体燃料Ｆの気化成分を一次的に収容し、さらに気化成分における燃料の濃度分布を均一にする空間として機能する。また、フレーム２７は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂などの電気絶縁材料で構成され、その少なくとも一部に排気孔２９が形成されている。この排気孔２９により、アノード触媒層１１において発生した生成ガスにより、気化燃料収容室２８内の圧力が上昇するのを抑制することができる。なお、気化燃料収容室２８は、排気孔２９を介して常に外部と連通した状態になっていなくてもよく、例えば、気化燃料収容室２８内が所定の圧力になったときに、気化燃料収容室２８を排気孔２９を介して外部と連通させ、気化燃料収容室２８内のガスを放出する構成としてもよい。
【００２７】
なお、気液分離膜２６や気化燃料収容室２８を通過した液体燃料Ｆの気化成分は、その後、分流され、各燃料電池モジュール１０ａに供給される。
【００２８】
ここで、液体燃料タンク２１に貯留される液体燃料Ｆは、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。また、純メタノールの純度は、９５重量％以上１００重量％以下にすることが好ましい。また、上記した液体燃料Ｆの気化成分とは、液体燃料Ｆとして液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。なお、液体燃料Ｆは、縦長に形成された液体燃料タンク２１の、例えば、上部に設けられた燃料供給孔（図示しない）から注入される。なお、燃料供給孔の設置位置は、特に限定されるものではなく、液体燃料タンク２１の上部以外に設けられてもよい。
【００２９】
一方、空気極側のカソード導電層１８上には、保湿層３０が積層されている。また、保湿層３０上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口３１が複数個形成された表面層３２が積層されている。
【００３０】
保湿層３０は、カソード触媒層１３において生成した水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制する役割をなすとともに、カソードガス拡散層１４に酸化剤を均一に導入することにより、カソード触媒層１３への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての機能も有している。この保湿層３０は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成される。
【００３１】
表面層３２は、膜電極接合体１６を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属から形成される。
【００３２】
ここで、浸透圧現象によるカソード触媒層１３側からアノード触媒層１１側への水の移動は、保湿層３０上に設置された表面層３２の空気導入口３１の個数やサイズを変えて、開口面積などを調整することで制御することができる。なお、保湿層３０は、設置されることが好ましいが、保湿層３０を用いずに燃料電池モジュール１０ａを構成してもよい。
【００３３】
次に、上記した燃料電池１０における作用について説明する。ここでは、燃料カット板２５は、取り外された状態とする。
【００３４】
液体燃料タンク２１内の液体燃料Ｆ（例えば、メタノール水溶液）は、燃料含浸層２４の毛細管力により、燃料流路２２を介して液体燃料タンク２１から移動し、燃料含浸層２４に含浸される。なお、この際、液体燃料タンク２１から移動する液体燃料Ｆは、燃料含浸層２４の毛細管力により移動されるので、その移動量が過剰となることなく、適量の液体燃料Ｆが徐々に移動する。
【００３５】
燃料含浸層２４に含浸された液体燃料Ｆのうち、気化したメタノールと水蒸気の混合気は、気液分離膜２６を透過し、気化燃料収容室２８に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。気化燃料収容室２８に一旦収容された混合気は、分流され、各燃料電池モジュール１０ａのアノード導電層１７を通過し、さらにアノードガス拡散層１２で拡散され、アノード触媒層１１に供給される。アノード触媒層１１に供給された混合気は、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …式（１）
【００３６】
なお、液体燃料Ｆとして、純メタノールを使用した場合には、液体燃料タンク２１からの水蒸気の供給がないため、カソード触媒層１３で生成した水や電解質膜１５中の水などがメタノールと上記した式（１）の内部改質反応を生じるか、または上記した式（１）の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じる。
【００３７】
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜１５を伝導し、カソード触媒層１３に到達する。一方、表面層３２の空気導入口３１から取り入れられた空気は、保湿層３０を通過し、各燃料電池モジュール１０ａのカソード導電層１８、カソードガス拡散層１４を拡散して、カソード触媒層１３に供給される。カソード触媒層１３に供給された空気は、次の式（２）に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
【００３８】
この反応によって、各燃料電池モジュール１０ａのカソード触媒層１３中に生成した水は、カソードガス拡散層１４を拡散して保湿層３０に到達し、一部の水は、保湿層３０上に設けられた表面層３２の空気導入口３１から蒸散されるが、残りの水は表面層３２によって蒸散が阻害される。特に、式（２）の反応が進行すると、表面層３２によって蒸散が阻害される水量が増し、カソード触媒層１３中の水分貯蔵量が増加する。この場合には、式（２）の反応の進行に伴って、カソード触媒層１３の水分貯蔵量が、アノード触媒層１１の水分貯蔵量よりも多い状態となる。その結果、浸透圧現象によって、カソード触媒層１３に生成した水が、電解質膜１５を通過してアノード触媒層１１に移動する反応が促進される。そのため、アノード触媒層１１への水分の供給を液体燃料タンク２１から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式（１）におけるメタノールの内部改質反応を促進させることができる。これによって、出力密度を高くすることができるとともに、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。
【００３９】
また、液体燃料Ｆとして、メタノールの濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、カソード触媒層１３からアノード触媒層１１に移動してきた水を内部改質反応に使用することができるので、アノード触媒層１１への水の供給を安定して行うことが可能となる。これによって、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低下することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料タンク２１の小型化を図ることも可能である。
【００４０】
上記したように、第１の実施の形態の燃料電池１０によれば、液体燃料タンク２１に満杯に液体燃料Ｆが収容されたときに、そのヘッド圧力以上の流路抵抗を有する燃料流路２２を、液体燃料タンク２１と燃料含浸層２４との間に設け、燃料含浸層２４の毛細管力により燃料流路２２を介して液体燃料Ｆを移動することで、液体燃料タンク２１の液体燃料Ｆの残量の影響を受けずに、燃料含浸層２４側へ徐々に所定量の液体燃料Ｆを移動することができる。
【００４１】
また、燃料流路２２を各燃料電池モジュール１０ａに対応して設けることで、各燃料流路２２を介して、液体燃料タンク２１から各燃料電池モジュール１０ａに均一に液体燃料Ｆを供給することができる。
【００４２】
また、液体燃料タンク２１の液体燃料Ｆの残量の影響を受けずに、燃料含浸層２４に液体燃料Ｆを含浸させることができるので、過剰の燃料が燃料含浸層２４に供給されることがなく、燃料過多によって生じる燃料のクロスオーバを防止することができる。さらに、所定の必要量の液体燃料Ｆが、液体燃料タンク２１内の液体燃料Ｆの残量の影響を受けずに、燃料含浸層２４に含浸されるので、液体燃料Ｆの残量を液体燃料タンク２１内の残量から正確に把握することができる。
【００４３】
なお、上記した第１の実施の形態では、液体燃料Ｆに、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した燃料電池について説明したが、本発明は、例えば、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテルなど、または、これらの水溶液を用いた液体燃料直接供給型の燃料電池にも応用することができる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明に係る第２の実施の形態の燃料電池４０を構成する燃料電池モジュール４０ａを含んだ燃料電池４０の断面を模式的に示した図である。また、図４は、図３の燃料電池４０の配置方向を変えたときの燃料電池４０の断面を模式的に示した図である。なお、第１の実施の形態の燃料電池１０の構成と同一部分には同一の符号を付して、重複する説明を簡略または省略する。
【００４５】
図３に示すように、燃料電池４０は、第１の実施の形態における燃料電池１０の液体燃料タンク２１内に、燃料流路２２を介して一端が燃料含浸部に接触し、他端が燃料流路２２に対向する液体燃料タンク２１の内壁に接触する第２の燃料含浸層４１を設置した構成を有している。
【００４６】
第２の燃料含浸層４１は、燃料含浸層２４と同様に、毛細管力により液体燃料Ｆを移動させる構成を有し、粒子、フィラー、不織布および繊維などがらなる発泡体、多孔体あるいは繊維状多孔体などで構成される。この多孔質体の気孔率は、３０〜９０％程度が好ましい。この範囲の気孔率が好ましいのは、気孔率が３０％より小さい場合には、閉鎖した孔が増加するため毛管力が低下するためであり、気孔率が９０％より大きい場合には、強度が低下すると共に製造が困難になるからである。
【００４７】
この第２の実施の形態の燃料電池４０によれば、第２の燃料含浸層４１が、燃料流路２２を介して一端が燃料含浸部に接触し、他端が燃料流路２２に対向する液体燃料タンク２１の内壁に接触するように設けられているので、例えば、図４に示すように、液体燃料タンク２１の長手方向が下側になるように配置された場合でも、第２の燃料含浸層４１の毛細管力によって、燃料含浸層２４側に液体燃料Ｆを移動することができる。
【００４８】
（実施例）
次に、液体燃料タンク２１に満杯に液体燃料Ｆが収容されたときでも、燃料流路２２を設けることで、燃料含浸層２４の毛細管力により徐々に液体燃料Ｆを燃料含浸層２４に移動することが可能であることを説明する。
【００４９】
ここでは、液体燃料タンク２１に満杯に液体燃料Ｆが収容されたときに、そのヘッド圧力以上の流路抵抗を有する燃料流路２２を設けた仕様に対応する解析モデル１００と、液体燃料タンク２１に満杯に液体燃料Ｆが収容されたときに、そのヘッド圧力よりも小さな流路抵抗を有しする燃料流路２０１を設けた仕様に対応する解析モデル２００について、液体燃料タンク２１から燃料含浸層２４に液体燃料Ｆが含浸される様子をシミュレーションした。なお、解析モデル１００は、本発明の燃料電池に対応する構成を有するものであり、一方、解析モデル２００は、本発明の燃料電池の構成を有しない比較例である。
【００５０】
図５は、燃料流路２２を設けた仕様における解析モデル１００の斜視図、図６は、燃料流路２０１を設けた仕様における解析モデル２００の斜視図である。
【００５１】
図５に示すように、解析モデル１００では、幅（Ｌ１）が５５ｍｍ、厚さ（ｔ１）が２ｍｍの仕切り板２３の下部に、所定の間隔で高さ（ｈ１）が０.５ｍｍ、幅（Ｌ２）が１ｍｍの燃料流路２２が６箇所に形成されている。また、液体燃料タンク２１、燃料含浸層２４の厚さは、双方とも２ｍｍとした。
【００５２】
また、図６に示すように、解析モデル２００では、幅（Ｌ３）が５５ｍｍ、厚さ（ｔ２）が２ｍｍの仕切り板２３の下部に、仕切り板２３の幅方向に亘って高さ（ｈ２）が０.５ｍｍのスリット状の燃料流路２０１が形成されている。また、液体燃料タンク２１、燃料含浸層２４の厚さは、双方とも２ｍｍとした。
【００５３】
上記した各解析モデル１００、２００における液体燃料タンク２１には、初期状態で液体燃料Ｆは満杯に満たされているものとし、シミュレーション開始後に液体燃料タンク２１から燃料含浸層２４に液体燃料Ｆが含浸されるものとして、シミュレーションを行った。なお、液体燃料Ｆには、純メタノールを用いる場合を想定した。
【００５４】
図７は、シミュレーション開始から０．２秒後の解析モデル２００における液体燃料Ｆの移動の状態を示す。また、図８は、シミュレーション開始から０．２秒後の解析モデル１００における液体燃料Ｆの移動の状態を示す。なお、図中に示した数値は、燃料の濃度を１としたときの各領域における燃料濃度比である。例えば、燃料濃度比が０の領域は、燃料が存在しない領域であることを意味する。
【００５５】
図７および図８に示すように、燃料流路２２を設けた仕様である解析モデル１００における液体燃料タンク２１から燃料含浸層２４への燃料の移動は、シミュレーション開始後においても急には進行せず、徐々に移動されることがわかった。また、この移動は、燃料含浸層２４における毛細管力に移動していると考えられる。
【００５６】
一方、燃料流路２０１を設けた仕様である解析モデル２００における液体燃料タンク２１から燃料含浸層２４への燃料の移動は、シミュレーション開始とほぼ同時に、急速に進行することがわかった。
【００５７】
また、シミュレーション開始から所定時間経過し、発電中での燃料含浸層２４における燃料濃度分布は、解析モデル１００および解析モデル２００双方ともに、全体に亘ってほぼ均一であった。また、発電中における燃料含浸層２４への燃料の供給量も、解析モデル１００および解析モデル２００において、燃料含浸層２４においてはほぼ同じであった。
【００５８】
以上の結果から、液体燃料タンク２１に満杯に液体燃料Ｆが収容されたときに、そのヘッド圧力以上の流路抵抗を有する燃料流路２２を設けることで、液体燃料タンク２１から燃料含浸層２４への液体燃料Ｆの移動は、燃料含浸層２４の毛細管力によって徐々に進行するため、燃料含浸層２４側への急速で過剰な液体燃料Ｆの移動を抑制できることがわかった。そのため、この構成を有する燃料流路２２を設けることは、燃料過多によって生じる燃料のクロスオーバを防止するために有効であることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池を構成する燃料電池モジュールを含んだ燃料電池の断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態の燃料電池を構成する燃料電池モジュールを含んだ燃料電池の断面図。
【図４】図３の燃料電池の配置方向を変えたときの燃料電池の断面図。
【図５】本発明に係る燃料電池の解析モデルの斜視図。
【図６】比較例に係る燃料電池の解析モデルの斜視図。
【図７】本発明に係る燃料電池の解析モデルにおける液体燃料の移動の状態を示す図。
【図８】比較例に係る燃料電池の解析モデルにおける液体燃料の移動の状態を示す図。
【符号の説明】
【００６０】
１０…燃料電池、１０ａ…燃料電池モジュール、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…カソード触媒層、１４…カソードガス拡散層、１５…電解質膜、１６…膜電極接合体、１７…アノード導電層、１８…カソード導電層、１９…アノードシール材、２０…カソードシール材、２１…液体燃料タンク、２１ａ…内底面、２２…燃料流路、２２ａ…下端面、２３…仕切り板、２４…燃料含浸層、２５…燃料カット板、２６…気液分離膜、２７…フレーム、２８…気化燃料収容室、２９…排気孔、３０…保湿層、３１…空気導入口、３２…表面層、Ｆ…液体燃料。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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